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基于RFID/Wi—Fi技術(shù)的礦井機(jī)車監(jiān)控與管理系統(tǒng)

作者:宋奇文 張令剛 張崇欣
來源:RFID世界網(wǎng)
日期:2011-11-02 11:09:24
摘要:針對(duì)礦井機(jī)車監(jiān)控自動(dòng)化的需求和井下作業(yè)環(huán)境惡劣的特點(diǎn),應(yīng)用RFID技術(shù)和Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)了礦井機(jī)車監(jiān)控與管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能確定機(jī)車位置和運(yùn)動(dòng)軌跡,也能完成對(duì)機(jī)車和工作人員作業(yè)情況的統(tǒng)計(jì)。結(jié)論表明,該系統(tǒng)性能穩(wěn)定,提高了井下運(yùn)輸?shù)陌踩院凸芾硇省?
  提出基于RFID/Wi—Fi技術(shù)的礦井機(jī)車監(jiān)控與管理系統(tǒng)。射頻識(shí)別技術(shù)具有高通訊速率、較強(qiáng)的抗于擾能力、保密性強(qiáng)、遠(yuǎn)距離和高速移動(dòng)物體識(shí)別等技術(shù)優(yōu)勢(shì),使得它能夠適應(yīng)井下復(fù)雜、惡劣的作業(yè)環(huán)境。利用WIFI無線局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,節(jié)省電纜,減少了線路安裝和維護(hù)工作量。管理中心數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)信息進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì),實(shí)現(xiàn)機(jī)車和T作人員的作業(yè)管理,提高了井下機(jī)車運(yùn)輸管理效率。

  1煤礦機(jī)車管理系統(tǒng)原理

  1.1RFID技術(shù)

  RFlD無線射頻識(shí)別是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別射頻技術(shù),它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù),識(shí)別工作無須人工干預(yù)。RND系統(tǒng)主要閱讀器、天線和標(biāo)簽組成。其中閱讀器主要讀取電子標(biāo)簽信息;天線負(fù)責(zé)在標(biāo)簽和閱讀器間傳遞射頻信號(hào);標(biāo)簽是由耦合元件及芯片組成,每個(gè)RFID標(biāo)簽具有唯一的電子編碼,附著在物體標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象。RFID的主要特點(diǎn)有:

  (1)RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)標(biāo)簽的快速掃描和元屏障閱讀。它的讀寫范圍以達(dá)到3600,讀寫距離可以達(dá)到幾十米,可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體電子標(biāo)簽,并且在中間隔有物體的情況下也能對(duì)其進(jìn)行瀆取。
  (2)RFID標(biāo)簽承載的是電子式信息,不僅提高了標(biāo)簽的抗污染和抗破壞的能力,還大大增加r數(shù)據(jù)的記憶容量,并且可寫入式芯片可多次寫入數(shù)據(jù),可根據(jù)需要改變電子芯片中的信息。

  針對(duì)礦井運(yùn)輸井下環(huán)境惡劣、障礙多的特點(diǎn),礦井機(jī)車監(jiān)控與管理系統(tǒng)運(yùn)用RFID的遠(yuǎn)距離射頻識(shí)別技術(shù),準(zhǔn)確實(shí)時(shí)記錄機(jī)車和運(yùn)輸工作人員T作信息,返回到地面管理中心,使調(diào)度人員能了解井下機(jī)車運(yùn)輸?shù)膭?dòng)態(tài)。

  1.2Wi—Fi技術(shù)

  wi—Fi又稱為802.1ib標(biāo)準(zhǔn),使用2.4GHz直接序列擴(kuò)頻,最大傳輸速率為54bit/s,并可根據(jù)信號(hào)強(qiáng)弱把傳輸速率調(diào)整為5.5bit/s、2bit/s及l(fā)bit/s。在2.4GHz及5GHz頻段上免許可。其主要特性為:速度快,_日r靠性高,在開放性區(qū)域,通訊距離可達(dá)305m,方便與現(xiàn)有的有線以太網(wǎng)絡(luò)整合,組嘲的成本更低。組網(wǎng)系統(tǒng)主要包括無線站點(diǎn)、AP節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器,站點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)問可以實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)連接或組建局域網(wǎng),站點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)Hub的所有功能。

  在礦井機(jī)車監(jiān)控與管理系統(tǒng)中,以WIH無線網(wǎng)絡(luò)和TCP/IP協(xié)議為基本架構(gòu),以礦井T業(yè)以太環(huán)網(wǎng)為整個(gè)系統(tǒng)的傳輸平臺(tái),形成有線主干與尢線終端相結(jié)合的方式,覆蓋礦井軌道區(qū)域。利用WIFI網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所具有的傳輸速率高、接入時(shí)間短、無線傳輸?shù)燃夹g(shù)優(yōu)點(diǎn),能夠?yàn)檐囕vRFID數(shù)據(jù)提供實(shí)時(shí)傳輸,快速建立連接,無建鏈時(shí)延。

  2系統(tǒng)原理

  2.1系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

  系統(tǒng)由車載/RFID標(biāo)簽、閱讀器、wIn網(wǎng)絡(luò)模塊、工業(yè)以太網(wǎng)和管理數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)組成,如圖1所示。

  在井下車場(chǎng)、各分支鑒道入口和煤倉(cāng)以及重要軌道區(qū)段處根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體需要設(shè)置一定數(shù)量的閱讀器。每輛機(jī)車上裝有一個(gè)車載RFID標(biāo)簽,當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入RFID)讀寫天線的范圍后,標(biāo)簽接收解讀器發(fā)出的射頻信號(hào),憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中存儲(chǔ)的信息。RFID讀寫器讀取信息后,通過Rs485接口將數(shù)據(jù)傳至WIFI無線數(shù)據(jù)傳輸終端,數(shù)據(jù)通過無線局域}。4傳至工業(yè)以太網(wǎng),經(jīng)主干網(wǎng)傳到管理中心服務(wù)器。這樣中心站主機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)通過分析采集的數(shù)據(jù)就可判斷出礦井機(jī)車和作業(yè)人員具體信息(如:是誰,住哪個(gè)位置,具體時(shí)間),同時(shí)可把它顯示在管理中心的大屏幕或電腦顯示屏上,并做好備份。管理者可以根據(jù)大屏幕上或電腦上的分布示意周查看某一區(qū)域,計(jì)算機(jī)會(huì)把這一區(qū)域的人員情況統(tǒng)計(jì)并顯示出來。管理中心數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)自動(dòng)牛成機(jī)車的運(yùn)輸和工作人員的作業(yè)統(tǒng)計(jì)表,實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車和人員的作業(yè)管理。

  2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  2.2.1硬件設(shè)計(jì)

  硬件包括信息儲(chǔ)存、采集和傳輸設(shè)備,是實(shí)現(xiàn)井下的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息傳輸?shù)焦芾碇行膶?duì)機(jī)車進(jìn)行監(jiān)控與管理的基礎(chǔ)。

  (1)電子芯片。電子芯片中儲(chǔ)存機(jī)車的基本信息,包括機(jī)車類型、編號(hào)、維修記錄,還有與之對(duì)應(yīng)機(jī)車丁作人員的姓名、年齡、性別、所屬班組、職務(wù)、有效期等。將RFID電子標(biāo)簽安裝在各臺(tái)機(jī)車上。由于電子芯片中信息須隨機(jī)車和工作人員屬性的變化而改變,設(shè)計(jì)時(shí)采用可寫入式芯片,便于芯片中數(shù)據(jù)的改變。
  (2)閱讀器。井下車場(chǎng)、各分支巷道入口以及重要路段處安裝RFID閱讀器,同時(shí)在采區(qū)煤倉(cāng)裝有l(wèi)臺(tái)閱讀器。對(duì)每個(gè)閱讀器設(shè)置不同的ID編號(hào),在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中建立一個(gè)ID編號(hào)與閱讀器匹配的數(shù)據(jù)庫(kù)。安裝完成后,需要根據(jù)礦區(qū)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試各個(gè)閱讀器的讀取距離。閱讀器的讀取范同以10m為準(zhǔn)。距離過長(zhǎng)不僅需要增加閱讀器的功率,也可能造成多個(gè)閱讀器同時(shí)讀取一個(gè)電子芯片的情況,使定位失準(zhǔn)。
  (3)通信模塊。每臺(tái)閱讀器配有一個(gè)WIFI無線數(shù)據(jù)傳輸終端。將每一個(gè)閱讀器獲取的工作人員信息和機(jī)車信息通過無線傳輸至井下以太環(huán)網(wǎng)。

  無線傳輸網(wǎng)絡(luò)為IEEE802.1lg標(biāo)準(zhǔn),在物理層采用2.4GHz的無線頻率。在數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層,使用“載波偵聽多點(diǎn)接人/沖突避免(CSMA/CA)”媒體訪問控制(MAC)協(xié)議。

  與有線連接部分采用了IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn),因?yàn)楣?jié)點(diǎn)是尤線和有線兼顧,所以需要支持802.3。802.3描述r物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層的實(shí)現(xiàn)方法,在多種物理媒體卜以多種速率采用CSMA/CD訪問方式,對(duì)于高速以太網(wǎng)該標(biāo)準(zhǔn)說明的實(shí)現(xiàn)方法有所擴(kuò)展。

  2.2.2軟件設(shè)計(jì)

  從礦井采集的機(jī)車信息,通過計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算,實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)車的定位功能、機(jī)車作業(yè)管理功能和工作人員管理功能。

  (1)機(jī)車定位。閱讀器采集某一時(shí)刻通過該處機(jī)車電子標(biāo)簽的信息并一起返回ID編號(hào),服務(wù)器查找出與ID編號(hào)相匹配的數(shù)據(jù)庫(kù),確定閱讀器所屬區(qū)段,判斷出機(jī)車所在具體位置。同時(shí)在數(shù)據(jù)庫(kù)中,建市定位讀頭表,記錄讀頭的ID號(hào);建立巷道節(jié)點(diǎn)表;記錄節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值;建市路由表。記錄一個(gè)讀頭到與其相鄰的讀頭所經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)ID和節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值,系統(tǒng)根據(jù)這些數(shù)據(jù)描繪井下工作車輛的行動(dòng)軌跡。
  (2)機(jī)車作業(yè)管理。服務(wù)器通過分析機(jī)車進(jìn)出采區(qū)煤倉(cāng)的時(shí)間,統(tǒng)計(jì)每一臺(tái)機(jī)車某一班次運(yùn)載次數(shù),也可以按不同時(shí)段進(jìn)行次數(shù)統(tǒng)計(jì),并夠根據(jù)統(tǒng)計(jì)情況生成班報(bào)表、月報(bào)表和季報(bào)表。根據(jù)機(jī)車的維修記錄和檢修年限,判斷機(jī)車是否需要檢修。
  (3)工作人員作業(yè)管理。該部分工作由數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)自動(dòng)完成對(duì)工作人員的作業(yè)管理,主要包括:登記各工作人員出入工作面、工作時(shí)間信息,各丁作人員所屬班組,工作時(shí)使用的機(jī)車,并自動(dòng)生成考勤作業(yè)統(tǒng)計(jì)與報(bào)表。

  3數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)

  礦井機(jī)車監(jiān)控與管理數(shù)據(jù)庫(kù),以MicmmftVisualstudio2005為開發(fā)平臺(tái),采用MicrosoftSQLServer2000作為數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng),采用基于NetFramework的組件技術(shù),提高開發(fā)效率,使得系統(tǒng)易于維護(hù)和擴(kuò)充。在系統(tǒng)功能分析的基礎(chǔ)上,設(shè)定系統(tǒng)的功能模塊。礦井機(jī)車監(jiān)控與管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)為3層分布式結(jié)構(gòu)。根據(jù)礦區(qū)機(jī)車管理的需要,數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)了7個(gè)方面的功能,使管理人員能監(jiān)控對(duì)井下機(jī)車運(yùn)行,作出決策,同時(shí)生成相關(guān)作業(yè)統(tǒng)計(jì)表。

  數(shù)據(jù)庫(kù)的功能如下:

  (1)顯示機(jī)車上下井、出入采區(qū)煤倉(cāng)時(shí)間。
  (2)查詢一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)車實(shí)時(shí)的井下實(shí)際位置。
  (3)記錄機(jī)車在任一地點(diǎn)的到/離時(shí)間和總滯留時(shí)間等一系列信息,并對(duì)超時(shí)滯留機(jī)車進(jìn)行報(bào)警。
  (4)查詢井下軌道占用情況,警示可能發(fā)生沖突的軌道區(qū)域。
  (5)生成機(jī)車運(yùn)載次數(shù)的統(tǒng)計(jì)表。
  (6)建屯機(jī)車使用、維修數(shù)據(jù)庫(kù)。
  (7)生成工作人員出勤和作業(yè)量統(tǒng)計(jì)表。

  4結(jié)語(yǔ)

  通過該系統(tǒng)能夠清楚了解全礦每臺(tái)機(jī)車運(yùn)動(dòng)軌跡,同時(shí)能對(duì)機(jī)車運(yùn)載次數(shù)和工作人員作業(yè)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。利用WIN無線局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,節(jié)省電纜,減少了線路維護(hù)工作量。從經(jīng)濟(jì)效益來看,基于RFID/Wi—Fi技術(shù)的礦井機(jī)車監(jiān)控與管理系統(tǒng)降低了建設(shè)、維護(hù)和管理成本,提高了井下運(yùn)輸管理效率。從社會(huì)效益看,該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)反映機(jī)車的井下位置,便于調(diào)度人員的監(jiān)督和控制,提高r井下運(yùn)輸?shù)陌踩?。?